Fotodioda Organik Fleksibel Tinggi Performa Setara atau Melebihi Perangkat Silikon

Performa fotodioda organik luas area fleksibel telah maju hingga titik di mana sekarang dapat menawarkan keuntungan dibandingkan teknologi fotodioda silikon konvensional, terutama untuk aplikasi seperti citra biomedis dan pemantauan biometrik yang memerlukan deteksi tingkat cahaya rendah di seluruh area luas. Perangkat organik yang rendah bisau, diproses larutan, dan fleksibel menawarkan kemampuan untuk menggunakan fotodioda luas area dengan bentuk sembarang untuk mengganti array kompleks yang akan diperlukan dengan fotodioda silikon konvensional, yang dapat mahal untuk diskalakan untuk aplikasi luas area. Perangkat organik menyediakan performa yang serupa dengan fotodioda silikon rigid dalam spektrum cahaya visibel — kecuali dalam waktu respons.

“Apa yang telah kami capai adalah demonstrasi pertama bahwa perangkat ini, yang diproduksi dari larutan pada suhu rendah, dapat mendeteksi sekedar beberapa ratus ribu foton cahaya visibel setiap detik, mirip dengan magnitudo cahaya yang mencapai mata kita dari satu bintang di langit gelap,” kata Canek Fuentes-Hernandez, ilmuwan penelitian utama di Sekolah Rekayasa Elektro dan Komputer di Georgia Institute of Technology. “Kemampuan untuk melapisi bahan ini pada substrat luas area dengan bentuk sembarang berarti fotodioda organik fleksibel sekarang menawarkan beberapa keuntungan jelas dibandingkan fotodioda silikon terdepan dalam aplikasi yang memerlukan waktu respons dalam rentang puluhan mikrodetik.”

Perangkat elektronik organik didasarkan pada bahan yang difabriksikan dari molekul atau polimer berbasis karbon alih-alih semikonduktor anorganik konvensional seperti silikon. Perangkat dapat dibuat menggunakan teknik pencetakan sederhana dan inkjet alih-alih proses yang mahal dan kompleks yang terlibat dalam manufaktur elektronik konvensional. Teknologi ini sekarang banyak digunakan dalam layar, sel surya, dan perangkat lainnya.

Fotodioda organik menggunakan polietilenimin, modifikasi permukaan polimer yang mengandung amina yang ditemukan untuk menghasilkan elektroda stabil udara dan fungsi kerja rendah dalam perangkat fotovoltaik yang dikembangkan di laboratorium Bernard Kippelen, Profesor Joseph M. Pettit di Georgia Tech. Penggunaan polietilenimin juga menunjukkan untuk menghasilkan perangkat fotovoltaik dengan tingkat arus gelap yang rendah — arus listrik yang mengalir melalui perangkat bahkan dalam kegelapan. Ini berarti bahan dapat berguna dalam detektor foton untuk menangkap sinyal cahaya visibel yang redup.

Salah satu aplikasi untuk perangkat baru adalah dalam oksimeter jari yang sekarang ditempatkan di jari untuk mengukur detak jantung dan kadar oksigen darah. Fotodioda organik mungkin memungkinkan beberapa perangkat ditempatkan di tubuh dan beroperasi dengan cahaya 10 kali lebih sedikit daripada perangkat konvensional. Ini dapat memungkinkan pemantau kesehatan wearable untuk menghasilkan informasi fisiologis yang ditingkatkan dan pemantauan berkelanjutan tanpa penggantian baterai yang sering. Aplikasi potensial lainnya termasuk antarmuka manusia-komputer seperti pengenalan gerakan sentuh dan kontrol.

Aplikasi di masa depan adalah deteksi radiasi ionisasi oleh sinilasi — kilatan cahaya yang dipancarkan oleh fosfor saat mengenai partikel energi tinggi. Menurunkan tingkat cahaya yang dapat dideteksi akan meningkatkan sensitivitas perangkat, memungkinkannya untuk mendeteksi tingkat radiasi yang lebih rendah. Mendeteksi radiasi yang dipancarkan dari kendaraan atau kontainer muatan memerlukan area detektor yang luas, yang akan lebih mudah dibuat dari fotodioda organik daripada dari array fotodioda silikon.

Fotodioda organik dapat memiliki keuntungan serupa dalam peralatan X-ray, di mana dokter ingin menggunakan tingkat radiasi yang paling mungkin kecil untuk meminimalkan dosis yang diberikan kepada pasien. Di sini lagi, sensitivitas, luas area, dan bentuk faktor fleksibel harus memberikan fotodioda organik keuntungan dibandingkan array berbasis silikon.

Fotodioda organik dapat menunjukkan nilai arus bisau elektronik dalam rentang puluhan femtoampere dan nilai daya setara bisau beberapa ratus femtowatt. Faktor kinerja kunci dari fotodioda organik membandingkan baik dengan silikon kecuali dalam area waktu respons, di mana peneliti bekerja pada peningkatan seratus kali lipat untuk mengaktifkan aplikasi di masa depan.

“Lapisan tipis organik menyerap cahaya lebih efisien daripada silikon, jadi ketebalan keseluruhan yang Anda butuhkan untuk menyerap cahaya itu sangat kecil,” kata Kippelen. “Bahkan jika Anda menskalakan area mereka, volume keseluruhan detektor Anda tetap kecil dengan organik. Jika Anda meningkatkan area detektor silikon, Anda memiliki volume bahan yang lebih besar yang pada suhu ruang akan menghasilkan banyak bisau elektronik.”

Fotodioda yang dibuat di laboratorium Kippelen menggunakan lapisan aktif tebal 500 nanometer. Sebuah gram bahan, kira-kira ukuran ujung jari, dapat melapisi permukaan meja kantor.